1公式と解法
ホイートストンブリッジとひずみゲージ
- 分圧器の電圧
- Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
- 排泄量
- Vab = Va − Vb
- 出納
- R1/R2 = R3/R4
- スライドワイヤブリッジ
- R/Rx = l/(100 − l)
- テブナン抵抗
- Rth = R1∥R2 + R3∥R4
- ゲージ率
- ΔR/R = GF·ε
- ブリッジの出力
- 1/4 ブリッジ Vs·GF·ε/4、1/2 ブリッジ Vs·GF·ε/2、フルブリッジ Vs·GF·ε
- 微小変化、1 辺のみ
- Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
- 応力
- σ = E·ε
解き方
- ブリッジを、同じ電源につながれた 2 つの分圧器として扱います。
- 平衡では、R₁/R₂ = R₃/R₄ とおいて、未知の抵抗について解きます。
- 不平衡ブリッジでは、分圧器から Va と Vb を求めて差をとります。計器が出力に負荷をかけるときは、テブナン等価回路を使います。
- ひずみゲージでは、ひずみを ΔR/R = GF·ε に直し、1/4、1/2、フルブリッジに応じて Vs·GF·ε/4、/2、×1 を使います。
データ収録とサンプリング
- ナイキスト条件
- fs > 2·fmax, fN = fs/2
- エイリアス周波数
- fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
- ステップ幅
- 1 LSB = VFSR/2ᴺ
- 量子化誤差（四捨五入）
- ±½ LSB
- 切り捨て ADC のコード
- D = ⌊Vin/LSB⌋
- 分解能 r に必要なビット数
- 2ᴺ ≥ span/r
- 理想 SQNR（フルスケールの正弦波）
- SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
- データレート
- チャネル数 × fs × N bit/s
- マルチプレクス ADC
- fs = 1/(n·(tc + tset))
- UART
- Tb = 1/ボーレート；8N1 = 1 バイトあたり 10 ビット；バイト/s = ボーレート/1 フレームのビット数
- ボーレート分周比
- baud = fclk/(16·D)
解き方
- まず与えられた値を書き出します：サンプリング周波数、信号の周波数、ビット数、入力レンジ、ボーレート。
- サンプリングの問題では、各周波数を fs/2 と比べます。それより高い周波数は、fs の最も近い整数倍を使って fa = |f − k·fs| の位置に現れます。
- 分解能の問題では、1 LSB = VFSR/2ᴺ を求めるか、2ᴺ ≥ 範囲/分解能 を満たす最小の N を求めます。
- データレートと UART 通信では、送られるものをすべて数えます：チャネル数、毎秒のサンプル数、1 サンプルあたりのビット数またはバイト数、そして各フレームのスタートビット、パリティビット、ストップビット。
オペアンプ回路
- 反転増幅器
- Vout = −(Rf/Rin)·Vin
- 非反転増幅器
- Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
- 加算増幅器
- Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
- 理想オペアンプ
- V+ = V−, Iin = 0
抵抗の直列・並列
- 抵抗の直列接続
- Req = R1 + R2 + …
- 抵抗の並列接続
- 1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
- 2 つの並列接続
- Req = R1R2 / (R1 + R2)
- オームの法則
- V = I·R
- 電力
- P = V·I = I²R = V²/R
解き方
- 端子からいちばん遠い回路網の端から始めます。
- 直列の抵抗は足し合わせ、並列の抵抗は 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … でまとめます。
- 1 ステップごとに回路を描き直します。
- 端子間に抵抗が 1 つだけ残るまで繰り返します。
テブナン・ノートン
- テブナン電圧
- Vth = Vopen circuit
- テブナン抵抗
- Rth：すべての電源を取り除き、a–b から見た抵抗
- ノートン電流
- IN = Vth/Rth
- 負荷電流
- IL = Vth/(Rth + RL)
- 最大電力伝送
- RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)
解き方
- 負荷を外し、2 つの端子を a と b とします。
- a と b の間の開放電圧を求めます：これが Vth です。
- 独立電源をすべて取り除き、a–b から見た抵抗を求めます：これが Rth です。
- 負荷を等価回路に戻します：Vth と Rth の直列です。
- ノートン等価回路には変換します：IN = Vth/Rth、RN = Rth を並列に接続します。
2演習問題
1.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう
4 つの辺がすべて 1000 Ω のブリッジに 9 V を供給します。センサ R₂ が変化すると、出力は Vab = 214.3 mV を示します。R₂ の厳密な変化量 ΔR を求めなさい。
Vs = 9 VR = 1000 ΩVab = 214.3 mV
ΔR = Ω
2.ホイートストンブリッジとひずみゲージむずかしい
ロードセル（ひずみゲージのフルブリッジ）の定格出力は、定格荷重 100 kg で 3 mV/V です。励起電圧は 10 V です。荷重 80 kg のときの出力 Vo を求めなさい。
3 mV/VFrated = 100 kgVs = 10 VF = 80 kg
Vo = mV
3.データ収録とサンプリングふつう
入力範囲 0〜10 V の 12 ビット ADC が切り捨てを行い、その出力コードは ⌊Vin/LSB⌋、1 LSB = VFSR/2ᴺ です。入力 2.728 V に対する 10 進の出力コード D を求めなさい。
N = 12VFSR = 10 VVin = 2.728 V
D =
4.データ収録とサンプリングむずかしい
クロック 10 MHz のマイクロコントローラが、UART のボーレートを fclk/(16·D) に設定します。D は最も近い値に丸めた整数です。目標は 9600 baud です。実際のボーレートの誤差を百分率で求めなさい（速すぎる場合を正とします）。
fclk = 10 MHz目標値 = 9600 Bd
e = %
5.オペアンプ回路ふつう
オペアンプは理想的で、±15 V 電源で動作する。 出力電圧 Vout を求めよ。
Vin = −1 VR1 = 4.7 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
6.オペアンプ回路むずかしい
加算増幅器は ±15 V 電源の理想オペアンプを使う。 出力電圧 Vout を求めよ。
V1 = −1.9 VV2 = 1.9 VR1 = 2 kΩR2 = 100 kΩRf = 4.7 kΩ
Vout = V
7.抵抗の直列・並列ふつう
電源 V1 から見た合成抵抗 Req を求めよ。
V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
8.抵抗の直列・並列むずかしい
電源 V1 から見た合成抵抗 Req を求めよ。
V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 ΩR5 = 8 ΩR6 = 25 Ω
Req = Ω
9.テブナン・ノートンふつう
ノートン電流 IN を求めよ：端子を短絡したとき a から b へ流れる電流。
V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
10.テブナン・ノートンむずかしい
端子 a–b から見たテブナン電圧 Vth を求めよ。
V1 = 9 VIs = 0.5 AR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
3溶液
1.ホイートストンブリッジとひずみゲージ
答え: ΔR = 100 Ω
ホイートストンブリッジ：2 つの分圧器が 1 つの電源 Vs を共有します。左の分圧器 R1–R2 は Va = Vs·R2/(R1 + R2) を、右の分圧器 R3–R4 は Vb = Vs·R4/(R3 + R4) を与え、出力は Vab = Va − Vb です。R1/R2 = R3/R4、すなわち R1·R4 = R2·R3 のとき、ブリッジは平衡しています（Vab = 0 で、検流計に電流が流れません）。出力端子から見ると、ブリッジは Rth = R1∥R2 + R3∥R4 のテブナン電源です。
節点電圧
Va = 4.5 + 0.2143 = 4.714 V
分圧器を解く
R₂ = 1000·4.714/(9 − 4.714) = 1100 Ω
ΔR = 1100 − 1000 = 100 Ω
2.ホイートストンブリッジとひずみゲージ
答え: Vo = 24 mV
ひずみゲージ：ゲージはひずみに応じて抵抗が変わります：ΔR/R = GF·ε。ゲージ率 GF は金属箔で約 2 です。すべての辺が R に等しいブリッジで、アクティブゲージが 1 枚（1/4 ブリッジ）のとき Vo ≈ Vs·GF·ε/4 です。隣り合う辺に逆向きのひずみを受ける 2 枚のアクティブゲージ（1/2 ブリッジ）では Vs·GF·ε/2、4 枚（フルブリッジ）では Vs·GF·ε になります。応力はフックの法則 σ = E·ε から求まります。ロードセルは感度を mV/V で表します：励起電圧 1 V あたりの定格荷重での出力です。
3.データ収録とサンプリング
答え: D = 1117
ADC の分解能：N ビットの変換器は、フルスケール範囲 VFSR を 0 から 2ᴺ − 1 までの 2ᴺ 個のコードに分けます。1 ステップは 1 LSB = VFSR/2ᴺ で、変換器が表示できる最小の変化です。切り捨て ADC はコード ⌊Vin/LSB⌋ を出力します。四捨五入する ADC は真の値から ½ LSB より離れることがなく、これが量子化誤差です。ビットが 1 つ増えるごとに LSB は半分になり、フルスケールの正弦波に対する理想的な信号対量子化雑音比 SQNR = 6.02·N + 1.76 dB はおよそ 6 dB 向上します。ある範囲で分解能 r を得るには、2ᴺ ≥ 範囲/r を満たす最小の N を選びます。
ステップ幅
1 LSB = 10/212 = 2.441 mV
コード
Vin/LSB = 2728/2.441 = 1117
コード = ⌊1117⌋ = 1117
4.データ収録とサンプリング
答え: e = 0.1603 %
UART：調歩同期式のシリアル通信は、各バイトをフレームとして送ります：スタートビット（Low）1 つ、データビット、任意のパリティビット、ストップビット（High）1 つまたは 2 つ。ボーレートは毎秒のビット数なので、1 ビットの長さは Tb = 1/ボーレート、n ビットのフレームの長さは n/ボーレートです。よく使われる 8N1 形式は 1 バイトが 10 ビットです。ボーレート発生器はクロックを分周します：ボーレート = fclk/(16·D)、D は整数なので、実際のボーレートは目標値とわずかに異なります。誤差がおよそ 2 % 未満なら、たいてい許容されます。
分周比
D = 10·10⁶/(16·9600) = 65.1 → 65
誤差
(9615 − 9600)/9600·100 = 0.1603 %
誤差がおよそ 2 % 未満なら、たいてい許容されます。
5.オペアンプ回路
答え: Vout = −3.128 V
理想オペアンプの規則：負帰還があるとき、オペアンプは 2 つの入力が同じ電圧 (V₋ = V₊) になるよう出力を調整し、どちらの入力にも電流は流れ込みません。この 2 つを使って反転入力で KCL を立てると出力が求まります。
反転入力が入力に追従する
V₋ = V₊ = −1 V
I = V₋/R1 = −1/4.7 = −0.2128 mA
出力電圧
R₁ の電流は Rf も流れます。
Vout = V₋ + I·Rf = −1 + (−0.2128)·10 = −3.128 V
6.オペアンプ回路
答え: Vout = 4.376 V
理想オペアンプの規則：負帰還があるとき、オペアンプは 2 つの入力が同じ電圧 (V₋ = V₊) になるよう出力を調整し、どちらの入力にも電流は流れ込みません。この 2 つを使って反転入力で KCL を立てると出力が求まります。
入力電流
V₋ = 0 なので、各入力抵抗には入力電圧がそのままかかります。
I1 = V1/R1 = −1.9/2 = −0.95 mA
I2 = V2/R2 = 1.9/100 = 0.019 mA
If = I1 + I2 = −0.931 mA
出力電圧
Vout = −Rf·If = −4.7·(−0.931) = 4.376 V
7.抵抗の直列・並列
答え: Req = 8.5 Ω
直列と並列の抵抗：直列では各抵抗に同じ電流が流れ、R = R₁ + R₂ + …。並列では各抵抗に同じ電圧がかかり、1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。はしご形回路は 1 組ずつまとめ、1 つの合成抵抗になるまで続けます。
遠い端から抵抗をまとめる
電源から最も遠い端から始め、電源に向かって戻ります。同じ電流が流れる抵抗は直列、同じ 2 つの節点の間にある抵抗は並列です。
R3 + R4 = 10 + 8 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 6·18/(6+18) = 4.5 Ω
Req = R1 + 4.5 = 4 + 4.5 = 8.5 Ω
8.抵抗の直列・並列
答え: Req = 13.67 Ω
直列と並列の抵抗：直列では各抵抗に同じ電流が流れ、R = R₁ + R₂ + …。並列では各抵抗に同じ電圧がかかり、1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。はしご形回路は 1 組ずつまとめ、1 つの合成抵抗になるまで続けます。
遠い端から抵抗をまとめる
電源から最も遠い端から始め、電源に向かって戻ります。同じ電流が流れる抵抗は直列、同じ 2 つの節点の間にある抵抗は並列です。
R5 + R6 = 8 + 25 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 10.31 Ω
R3 + 10.31 = 15.31 Ω
R2 ∥ 15.31 = 8.673 Ω
Req = R1 + 8.673 = 5 + 8.673 = 13.67 Ω
9.テブナン・ノートン
答え: IN = 0.1744 A
テブナンの定理：線形な 2 端子回路は、1 つの電圧源 Vth と抵抗 Rth の直列回路と同じに振る舞います。ノートンの定理は同じ回路を、電流源 IN = Vth/Rth と Rth の並列回路として表します。
すべての電源を止めて Rth を求める
電圧源を短絡に、電流源を開放に置き換え、a–b から回路を見ます。
R1 ∥ R2 = 6·2/(6+2) = 1.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.5 + 20 = 21.5 Ω
開放電圧 Vth を求める
a–b が開放のとき R₃ には電流が流れないので電圧降下はなく、V_b = V_A です。R₁ と R₂ は分圧回路になります。
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·2/(6+2) = 3.75 V
ノートン等価回路
ノートン電源は、同じ回路を R_th と並列な電流源として見たものです。その電流は a–b の短絡電流です。
IN = Vth/Rth = 3.75/21.5 = 0.1744 A
10.テブナン・ノートン
答え: Vth = −10.63 V
テブナンの定理：線形な 2 端子回路は、1 つの電圧源 Vth と抵抗 Rth の直列回路と同じに振る舞います。ノートンの定理は同じ回路を、電流源 IN = Vth/Rth と Rth の並列回路として表します。
すべての電源を止めて Rth を求める
電圧源を短絡に、電流源を開放に置き換え、a–b から回路を見ます。
R1 ∥ R2 = 12·20/(12+20) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 25 = 32.5 Ω
開放電圧 Vth を求める
a–b が開放のとき、Iₛ の経路は R₃ を通って節点 A へ向かうものだけです。V₁ と Iₛ の重ね合わせで V_A を求め、R₃ の電圧降下を加えます。
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5.625 + (−0.5)·7.5 = 1.875 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 1.875 + (−0.5)·25 = −10.63 V